Röntgenphotoelektronenspektroskopie

Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (RPE), international bekannt als XPS oder ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis), ist eine Oberflächenanalysemethode zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung und der chemischen Zustände von Materialien in den obersten Nanometern der Oberfläche. Die Methode beruht darauf, dass bei Bestrahlung der Probe mit monochromatischem Röntgenlicht Photoelektronen aus inneren Elektronenbahnen emittieren; deren kinetische Energie wird gemessen.

Prinzip und Informationsgehalt: Die kinetische Energie der Emissionselektronen folgt E_kin = hν − E_B − φ, wobei hν die Photonenergie, E_B der Bindungsenergie des Elektrons und φ die Austrittsarbeit ist. Aus der gemessenen Bindungsenergie E_B lassen sich Elemente und chemische Zustände ableiten. Die Peaks der XPS-Spektren zeigen Spin-Orbit-Paare und chemische Verschiebungen, die Aufschluss über Oxidationszustände, Bindungen und chemische Umgebung geben. Die Quantifizierung erfolgt durch die Integrationsfläche der Peaks unter Berücksichtigung von Empfindlichkeitsfaktoren (S-Faktoren).

Instrumentierung und Probenumgebung: Typische Radioquellen liefern Al-Kα- oder Mg-Kα-Strahlung. Die Elektronenenergie wird mit einem Hemisphärenelektroanalysator gemessen; die Auflösung liegt je nach Setup bei Bruchteilen bis zu wenigen Zehntel eV. Proben werden in Ultrahochvakuum (UHV) gehalten; nichtleitende Proben können durch Charge-Compensation stabilisiert werden.

Anwendungen und Einschränkungen: XPS liefert elementare Zusammensetzung und chemische Zustände von Oberflächen bis in wenige Nanometer Tiefe, eignet sich für Oxidationen, dünne Schichten, Katalysatoren oder Polymere. Tiefenprofiling durch Ionen-Sputtering ist möglich, aber destruktiv. Herausforderungen umfassen Probenladung, Probenvorbereitung und die begrenzte Tiefensensitivität. Die Methode wurde durch Kai M. Siegbahn maßgeblich entwickelt und trug zur Entwicklung hochauflösender Spektroskopie bei.